MEMS微悬臂梁构件变形规律的AFM试验研究

　　微构件变形规律的精确控制不仅是微机电系统(MEMS,Microelectromechanical system)实现设计功能的关键,而且作为微传感器常用的力敏构件,其变形规律也决定着系统的线性度、性能标定、可靠性等等。所以,微观机械构件的变形规律一直是理论分析和试验研究的热点。以往研究中,针对原子力显微镜(AFM, Atomic Force Micro2scope)微悬臂探针这一典型微构件,我们研究了其在扫描过程中的变形和运动规律,提出无量纲粘滑数,揭示了微观摩擦粘滑的机理和规律[1],并探讨了微悬臂探针变形导致的AFM扫描力耦合变化[2],及AFM图像中的耦合效应与边缘效应[3]。

　　目前,由于MEMS器件机械特性的理论分析方法还不完全成熟,根据现有理论设计的MEMS器件或者微型传感器,其机械性能可能与设计要求有较大的出入,这就需要精确测量出MEMS基本构件的机械特性,并由此对现行的设计理论做出分析与矫正。其中从MEMS设计角度的一个关键问题就是,传统的材料力学或者弹性力学的理论是否对微尺度的构件变形仍适用,这也将是本论文研究的目的。

　　目前,直接测试微构件变形规律的方法包括光学方法、云纹法、动态振动方法等。结合我们前面针对AFM工作原理以及探针悬臂梁变形的研究,我们将直接采用AFM进行微悬臂梁变形规律的测试,并根据微梁弯曲试验的误差分析,对微构件变形规律的理论分析方法提出修正和补充。

　　1　试验原理

　　试验试件是采用表面加工工艺制作的多晶硅的微梁,其扫描电镜图片如图1,长855μm,宽100μm,厚2μm。电镜照片显示,几乎没有初始弯曲变形。

　　试验原理如图2所示[4],直接采用AFM的探针在微悬臂梁长度方向的中心线加载。

　　我们的试验采用多点测试的方法,在微悬臂梁上依次选取加载点,它们分别距支撑点为201μm,406μm,604μm,806μm和850μm。AFM探针的弹性常数为0.12 N/m。

　　根据测试原理,每个加载点上均存在等效刚度。该刚度反映AFM法向载荷和法向变形量之间的比例关系,是AFM探针弹性常数与悬臂梁系统有效刚度的等效值。该值在不同的接触点具有不同的大小,因为接触点微悬臂梁的有效长度不同。从理论分析的角度,也可以获得不同接触点的等效刚度为

　　式中:Kprobe为AFM探针的弹性常数;杨氏模量E =160GPa;Lc为悬臂梁从支撑点到接触点的距离,也称有效长度; b, t分别为悬臂梁的宽度和厚度。试验中,每个加载点都可以获得AFM力曲线,如图3所示。根据AFM的工作原理[5]以及力曲线的含义[4, 6],可知测试曲线的斜率为

　　根据AFM力曲线的斜率可以获得每一个接触点探针2样品的等效刚度的试验值Keq。进而,从几个接触点的力曲线上可以获得一组探针2微悬臂梁系统等效刚度的试验值。